微电子工艺虚实融合式教学研究与实践

摘" 要：该文深入探讨微电子工艺教学中的虚实融合教学模式，旨在通过构建虚拟仿真平台与微纳电子技术支撑平台，打破传统教学中对高端实验设备的依赖，实现理论教学与实践操作的深度融合。通过引入沉浸式VR技术，为学生创造一个近乎真实的微电子工艺学习环境，不仅提高教学效果，还降低教学成本。该教学模式注重学生创新思维与实践能力的培养，使学生在虚拟环境中反复练习，深入理解复杂工艺流程，掌握前沿技术动态。这一创新教学模式不仅提升学生解决复杂工艺问题的能力，还为国家微电子工艺高素质科技人才培养提供有效途径。

关键词：微电子工艺;虚实融合;虚拟仿真平台;沉浸式教学;器件制备

中图分类号：G642.4" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-000X（2025）05-0120-04

Abstract： This paper delves into the virtual-real integrated teaching model in Microelectronics Process education， aiming to achieve a profound integration of theoretical teaching and practical operation by constructing a highly integrated virtual simulation platform and a micro/nano-electronics technology support platform. By introducing immersive VR technology， a nearly authentic learning environment for Microelectronics Processis created， which not only significantly enhances teaching effectiveness but also reduces teaching costs. This teaching model emphasizes the cultivation of students' innovative thinking and practical abilities， enabling them to repeatedly practice in a virtual environment， deeply understand complex process flows， and grasp cutting-edge technological trends. This innovative teaching model not only elevates students' abilities to solve complex process problems and engineering literacy but also provides an effective pathway for cultivating a large number of high-quality technological talents in the field of microelectronics process for the country.

Keywords： Microelectronics Process; virtual-real integration; virtual simulation platform; immersion program; device fabrication

芯片技术作为现代信息技术的核心与国家的战略基石，其发展水平直接关乎国家科技竞争力与产业安全。在芯片研发的全链条中，设计、制造与封装测试三大环节紧密相连，共同构筑了芯片产业的坚固基石。其中，芯片制造技术，尤其是先进制程芯片工艺技术，因其高度复杂性和技术壁垒，成为了我国科技自立自强道路上亟待突破的关键“卡脖子”难题[1-3]。

在芯片制造技术中，先进工艺设备无疑是推动技术进步的强大引擎，它们以高精度、高效率著称，是实现芯片性能飞跃的物理基础。然而，值得注意的是，除了硬件设备的先进性外，高素质的专业人才更是工艺研发与创新不可或缺的灵魂[4-6]。这些人才需具备深厚的理论基础、敏锐的创新思维以及丰富的实践经验，能够在复杂多变的工艺环境中不断探索与优化，推动芯片制造技术迈向新的高度。

然而，从高等教育与职业培训的角度来看，当前微电子工艺实践教学面临着诸多挑战。首要问题便是高端实验设备的稀缺与高昂成本，这些设备不仅价格昂贵，并且往往难以大规模复制，限制了教学资源的普及与扩展。此外，实验耗材的消耗巨大、成本高昂，使得大规模、常态化的实验教学难以维系。再者，芯片制造对实验环境有着极为严苛的要求，如高真空度等，这不仅增加了实验的难度与复杂度，也延长了实验周期，进一步制约了实践教学的有效开展[7-8]。

鉴于此，开发并应用数字化的教学资源和手段显得尤为迫切与重要。通过构建虚拟实验室、模拟仿真平台等数字化工具，可以模拟真实的芯片制造工艺环境，让学生在无须直接接触昂贵设备的情况下，就能进行深入的工艺学习与实验探索。这种教学模式不仅能够大幅降低教学成本，提高资源利用效率，还能有效弥补传统实践教学中的不足，为培养大规模、高素质的微电子工艺人才提供强有力的支撑[8-10]。但是虚拟仿真平台也存在真实感不足、结果过于理想化、规则意识淡薄等情况[8]，迫切需要开展微电子工艺虚拟仿真与实践操作融合式教学研究。

一" 课程平台建设情况与特色

（一）" 课程简介

微纳制备与表征技术课程共48个学时，旨在建立微纳器件制备与表征的微观图景，打造具有较高工程素养的合格人才。该课程在大三下学期启动，此阶段学生已完成了高等数学、大学物理及半导体器件物理等基础课程的学习，这些前序课程为学生提供了坚实的理论基础与分析工具，为后续深入学习微纳制备与表征技术奠定了稳固的基石。通过本课程的系统学习，学生将能够熟练掌握微纳加工的关键步骤，理解并应用多种先进的表征手段，为后续集成电路设计等课程奠定坚实的工艺基础，促进理论知识与工程实践的深度融合。

课程内容体系严谨，覆盖了理论教学与实践教学两大核心环节。理论教学部分共28学时，划分为器件原理、制备工艺、性能表征三大知识板块，旨在为学生构建坚实的理论基础与系统的知识体系。而实践教学环节则安排了20学时，侧重于将理论课程中的知识与方法融会贯通，通过引导学生亲手参与氮化镓功率开关器件的设计构思、精细制备及性能测试等全流程操作，实现理论知识向实践技能的有效转化，增强学生的动手能力与问题解决能力。

（二）" 氮化镓功率半导体虚拟仿真平台特色

1" 军事应用特色鲜明

氮化镓功率开关器件以其高功率密度、高效率和高频率特性，在军用雷达系统、通信设备和探测器领域用途非常广泛。其高功率密度、高频工作能力和优异的抗辐射性能，使雷达系统能够远距离探测目标，提升探测精度和效率。同时，氮化镓功率开关器件也用于军事通信设备，增强信号传输的稳定性和可靠性。此外，在红外及紫外探测器中，氮化镓材料的应用也提高了探测器的灵敏度和响应速度，为军事侦察和预警提供了有力支持。基于氮化镓功率开关器件设计制备，构建了特色鲜明的氮化镓功率半导体虚拟仿真平台，专注于军事应用教育，寓教于乐中激发强军爱国情怀，实现思政与技术的深度融合。

2" 实景建模

该虚拟仿真平台在构建过程中，深度集成了我们学院顶尖的微纳电子技术支撑平台的资源与优势，实现了从宏观实验室空间布局到微观精密设备细节的精细实景建模。从宏观层面看，平台的虚拟实验室布局精准映射了现实空间的每一个细节，包括实验台的设置、仪器设备的摆放等，均力求一比一再现，从而营造出极强的真实感。而在微观层面，则是对精密设备的内部构造、操作流程乃至细微的物理现象进行了深入细致的模拟，确保学员在虚拟环境中也能获得与实际操作相媲美的直观感受。这种实景建模的策略极大地增强了学习的直观性与互动性，使原本可能枯燥乏味的理论知识学习过程变得生动有趣。学员在虚拟环境中，不仅能够通过直观的观察与操作加深对理论知识的理解与记忆，还能在模拟操作中提前熟悉实践流程，对即将进行的实验操作形成初步的认知与预期。

3" 可扩展性强

虚拟仿真平台在设计之初便前瞻性地融入了高度的可扩展性考量，创造性地结合了桌面版本与VR沉浸版本，以满足多样化的学习需求。桌面版本凭借云计算技术的强大支撑，实现了无地域限制的远程访问。通过互联网的广泛覆盖，这一版本能够迅速、高效地发布至庞大的学生群体，大大降低了使用的门槛，只需配备基础计算机设施的学生均可便捷接入。此版本不仅操作界面友好，且其可扩展架构使得系统能够灵活集成海量的教学资源，包括但不限于视频教程、案例分析及实验数据集等，从而极大地丰富了学习的深度与广度。进一步而言，其强大的可拓展性不仅体现在资源的丰富性上，更在于对个性化学习路径的支持。系统能够根据学生的学习进度、能力水平及兴趣偏好，智能推荐相关学习资源与训练任务，实现了因材施教的教育理想。这种大规模可定制化的教学体验，为教育资源的均衡化分配提供了强有力的技术支撑，确保即使在不同地域、不同硬件条件下，学生也能享受到同等优质的学习机会与体验。长远来看，这将有力促进微电子工艺领域教育公平与质量的双重提升。

4" 沉浸式教学

VR版虚拟仿真平台为微电子工艺教学带来了变革。该平台提供了一个精心构建的高度沉浸式实验环境，让学生仿佛置身于真实的微电子工艺超净室之中。通过先进的虚拟现实技术，平台不仅实现了交互性的飞跃，还以虚拟的方式精准还原了实体操作场景，彻底打破了传统教学中对昂贵且稀缺工艺设备的依赖。在氮化镓功率开关器件制备这一综合性实验中，VR版本更是大显身手，它不仅让复杂的制备流程变得直观易懂，还允许学生在虚拟空间中自由探索、反复实践，直至熟练掌握关键技能。更重要的是，VR版平台推动了教学考核模式的创新，将传统的“做实验—写报告”单一模式，转变为基于数据的多样化全过程交互与评价体系。学生在实验中的每一步操作、每一个决策都会被实时记录并分析，形成个性化的学习反馈，帮助教师更精准地评估学生的学习成效，同时也激励学生主动探索、积极参与，实现了从“被动接受”到“主动探究”的转变。

5" 研究式学习模式

氮化镓功率半导体虚拟仿真平台内置研究式学习模式，这一模式深刻贯彻了以学生为中心的教育理念，为学生提供了一个高度互动且贴近科研实践的仿真训练环境。在该模式下，学生被赋予了在既定框架内自由探索与创造的权利，特别是在器件结构设计、工艺流程开发以及测试系统构建等关键环节上。

具体到光刻工艺这一核心步骤，学生能够依据自身对氮化镓材料特性及器件性能需求的理解，独立设计复杂的光刻版图，这些版图通过精密的计算机辅助设计软件绘制完成后，可无缝对接至虚拟仿真平台中。在仿真系统内，学生可直观观察到自己设计的光刻图形如何在虚拟环境中被精确复制，这一过程不仅锻炼了学生的设计创新能力，还加深了对光刻技术原理及其在实际生产中重要性的认识。在实现材料图形化的过程中，学生面临多种技术路径的选择，如经典的薄膜沉积—光刻—刻蚀流程，或是更为灵活的光刻—薄膜沉积—剥离方法。每种方法的选择与应用，都要求学生综合考虑材料特性、工艺兼容性、成本效益等多方面因素，这一过程极大地促进了学生批判性思维与问题解决能力的培养。

通过这样一系列自主设计、模拟实验与结果分析的研究式学习活动，氮化镓功率半导体虚拟仿真平台不仅能够为学生提供宝贵的实践经验，更重要的是，它激发了学生对科学探索的热情，培养了他们的科学思维、创新思维以及严谨的实验态度，为他们在未来半导体领域的深入研究和职业发展奠定坚实的基础。

（三）" 微纳电子技术支撑平台

在学院的鼎力支持下，我们建设了集器件设计、工艺制备、精确表征及高效测试于一体的科研与教学深度融合的共享实验平台。该平台不仅标志着学院在科研基础设施建设上的重大突破，更为师生提供了从理论探索到实践验证的一站式科研环境。其中，千级/百级洁净区占地面积约四百平方米，配置了包括顶尖的电子束蒸发系统、高精度磁控溅射镀膜系统、高性能ICP刻蚀机等在内的一系列纳米级制备设备，这些设备共同构成了平台强大的纳米材料制备能力，为前沿科学研究提供了坚实的物质基础。万级洁净区则专注于器件性能的精确测量与分析，占地面积约三百平方米，配备了半导体参数测试仪、高低温探针台、原子力显微镜和场发射电子扫描显微镜等尖端分析仪器，以及X射线光电子能谱仪、金相显微镜等用于材料成分与结构解析的先进设备。

通过虚拟仿真平台与微纳电子技术支撑平台的深度融合策略，我们不仅能够有效解决传统工艺设备因高昂价格导致的可扩展性受限问题，实现资源的高效配置与成本的有效控制。同时，还能克服纯虚拟仿真环境在模拟精度上的不足，尤其是其往往难以完全复现实际操作中的复杂物理现象，导致结果过于理想化的局限性。这种融合机制巧妙地融合了两者之长，既保留了虚拟仿真的灵活性与经济性，又增强了模拟结果的真实性与可靠性，促进了科研与工程实践之间的无缝对接与相互促进。

二" 数据驱动的虚实融合沉浸式教学方法

基于对学生学习状态及需求的深入剖析，结合课程内容的独特性与时代要求，我们创新性地构建了数据驱动的虚实融合沉浸式教学新范式。此教学方法旨在通过高度集成的技术手段，实现理论知识与实践探索的无缝对接，促进学生深度学习与创新能力的发展。

在理论教学层面，我们将桌面式虚拟仿真平台作为核心载体，精心设计了三种学习模式——体验式学习、探究式学习与考核式学习，并将它们精准嵌入课前预习、研讨式授课及课后作业三大教学环节之中，形成了一套闭环的教学生态系统。具体而言，在课前预习阶段，我们聚焦于体验式学习模式的运用，充分利用学生对实践操作的天然兴趣，通过虚拟仿真环境中的直观展示与互动操作，激发学生对课程内容的初步感知与兴趣。这一过程不仅强化了学生的微观认知，帮助他们构建起清晰的知识框架与微观图景，还为后续研讨式课堂提供了丰富的预习数据与个性化学习路径。进入研讨式授课环节，我们则侧重于探究式学习模式的实施。通过模拟真实实验场景，引导学生主动探索工艺参数变化对实验结果的影响机制，鼓励学生提出假设、设计实验、分析结果，从而深刻理解技术手段的多样性与复杂性。此过程不仅提升了学生的问题解决能力，还促进了高阶思维与创新思维的培养，使课堂教学更具挑战性与创新性。在课后作业与反馈阶段，我们采用考核式学习模式，依托虚拟仿真平台的数据记录与分析功能，全面评估学生的学习成效与技能掌握情况。考核结果不仅为学生提供了自我反思与改进的依据，也为教师调整教学策略、优化教学内容提供了重要参考。通过这一机制，我们有效促进了学生工程素养的全面发展，实现了以学生为中心，知识传授与能力培养并重的教学目标，形成了螺旋式上升的知识传递与内化过程。

在实践教学环节中，我们深度整合了沉浸式VR虚拟仿真平台，精心设计并实施了一套氮化镓功率开关器件制备与表征的综合实验体系。这一体系旨在通过高度仿真的虚拟环境，为学生提供一种近乎真实的实验操作体验，从而有效提升其专业技能与科研素养。首先，体验式学习模式作为实验的起点，集成了详尽的操作提示与深入的原理介绍。学生在此场域中不仅能够直观感受到氮化镓功率开关器件制备的每一步骤，还能即时将理论与实践相结合，通过模拟操作验证并巩固课堂所学的理论知识。这一过程强化了学生对微观结构与功能之间关系的理解，深化了他们对氮化镓功率开关器件微观图景的认知，为后续的深入学习奠定了坚实的基础。其次，考核式学习模式则承担起检验学习成果、培养工程素养的重任。通过模拟真实世界的考核环境，该学习模式实现了对学生实验操作、数据分析及问题解决能力的全方位评估。学生需完成一系列预设任务，并在虚拟仿真平台中进行全过程交互与实时考核，从而确保学习效果的准确反馈与持续改进。探究式学习模式则是整个实验体系中的亮点，它充分体现了以学生为中心的教学理念。在此场域中，学生被赋予了一定的自主权，在给定框架内自由设计氮化镓功率开关器件结构、开发独特的工艺流程，并搭建相应的测试系统。这一过程不仅锻炼了学生的创新思维与实验设计能力，还培养了他们的科学思维方法与严谨的研究态度，为未来的科研工作打下了坚实的基础。

最后，基于虚拟仿真平台反馈的详细实践数据，如单步工艺时长、关键参数变化等，我们针对重点与难点工艺环节，组织开展了针对性的工艺实践。通过虚实融合的教学方式，有效解决了学生动手经验不足的问题，使他们能够在安全、可控的环境中积累宝贵的实践经验，为未来的职业发展做好充分准备。

三" 结束语

展望未来，面对国家对微电子工艺领域高端人才的迫切需求，我们构建的虚实融合微电子工艺教学与实践环境，可能成为培养大规模行业人才的重要平台。该平台不仅突破了传统教育模式下对昂贵高端工艺设备的依赖，还极大地扩展了教学时间与空间的边界，实现了教育资源的高效配置与灵活应用。通过深度整合虚拟现实与仿真技术，学生能够在接近真实的实验环境中反复实践，深入理解复杂工艺流程，掌握前沿技术动态。这一创新教学模式，将有效促进学生解决复杂工艺问题的能力与工程素养的显著提升，为微电子行业乃至国家科技发展战略输送源源不断的高素质科技人才，助力我国在全球科技竞争中占据领先地位。

参考文献：

[1] 杨艳，罗乐，巫丛平，等.微电子工程中薄膜工艺教学设计与实践[J].集成电路应用，2024，41（5）：78-80.

[2] 刘瑶，陆翔.微电子实验教学平台和教学体系的构建与改革[J].科技风，2023（25）：111-113.

[3] 于文娟，董可秀，王炳庭，等.Silvaco TCAD仿真在《微电子工艺》实验教学中的应用[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2022，22（4）：118-121，128.

[4] 伍民顺，耿莉，程军，等.“新工科”理念下微电子实践教学改革探索[J].电气电子教学学报，2022，44（2）：158-162.

[5] 兰馗博，赵毅强，张宁，等.集成电路光刻工艺虚拟仿真实验教学建设[J].实验室科学，2021，24（4）：145-148，153.

[6] 李曼，郭宇锋，顾世浦，等.MOS场效应晶体管虚拟仿真实验教学资源建设[J].物理实验，2020，40（11）：35-40.

[7] 胡靖.融科入教、虚实结合、增值评价：信号专业实训课程教学改革与实践[J].科技风，2024（22）：98-100.

[8] 杨阳，胡潇，邱晓晖，等.虚实融合实验教学模式的探索与实践——以X线计算机断层成像部分实验教学为例[J].赣南医学院学报，2024，44（7）：741-745.

[9] 田丽，王蔚，兰慕杰，等.“微电子工艺与实践”课程群建设与教改实践[J].电气电子教学学报，2020，42（2）：48-51.

[10] 刘红梅，王璐，艾春鹏，等.新形势下微电子工艺实验教学改革研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2019（9）：55-56.

基金项目：2022年湖南省普通高等学校教学改革研究项目“面向微电子人才培养的全流程贯通式实践模式研究”（HNJG-2022-0417）; 2021年国防科技大学教育教学研究课题重点项目“面向集成电路‘全流程’能力培养的微电子本科专业实践环节设计”（U2021204）

第一作者简介：刘森（1988-），男，汉族，河南南阳人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为智能信息器件与电路系统。